MÉCANIQUE DU VOL

VOL EN HAUTE ALTITUDE


Effet du Mach

Le comportement d’un avion rapide dépend du Mach. Ainsi, dès que le Mach atteint 0,35, à 0,40, l’aérodynamique est affectée, particulièrement lorsque l’incidence est élevée. C’est ce qu’on appelle la compressibilité.
Sur les gros avions de transport, le Czmax ne peut être atteint que lorsque le Mach est faible, pratiquement hors compressibilité. Pour les Mach plus élevés, lorsqu’on augmente l’incidence, on rencontre d’abord un léger buffeting, appelé buffet onset . Très vite, si on continue à augmenter l’incidence, ce buffeting devient très fort. C’est le déterrent buffet . Aucun pilote n’a envie d’aller voir au delà compte tenu de son niveau. L’incidence correspondant à ce deterrent buffet décroît avec le Mach jusqu’au Mach de croisière. Le Czmax pris en compte pour la certification et les opérations correspond à ce deterrent buffet. Le coefficient de portance décroît également avec le Mach, mais il est toujours largement suffisant pour voler à des Mach très élevés.

Courbe Deterrent Buffet

Croisière à Mach élevé

Pour un avion ayant une vitesse de croisière de Mach 0,85, le Mach critique Mcrit, c’est-à-dire celui où apparaît la première zone supersonique sur l’extrados de la voilure est généralement de l’ordre de Mach 0,70. En croisière, une large partie de l’écoulement sur l’extrados est donc légèrement supersonique.  Voir Aile en subsonique. D’ailleurs, lorsque les conditions d’éclairage sont bonnes, il est quelquefois possible de deviner l’onde de choc à l’arrière de la voilure (en fait l’interaction entre l’onde de choc et la couche limite).

Vol au delà de MMO

Pour les pilotes, à grande vitesse et à haute altitude, le trait rouge de l’anémomètre se situe à MMO (Mach Maximum Operating). Peu avant MMO, ou à MMO, lorsqu’on accélère, il y a une légère vibration. Son intensité peut augmenter, mais le plus souvent, elle ne dépasse pas le niveau du buffet onset jusqu’à MD (Mach de calcul en piqué). C’est-à-dire qu’elle reste faible, juste perceptible pour un pilote et, dans tous les cas, très inférieure à celle que l’on rencontre à incidence élevée.
Il n’y a pas de similarité dans le comportement de l’avion à basse vitesse et grande vitesse à Mach élevé :
- Lorsqu’on décélère, il y a un très fort buffeting, et il n’est pas possible d’aller au-delà. C’est par définition le décrochage.
- Lorsqu’on accélère, il y a seulement un léger buffeting, et on peut atteindre sans risque VD (vitesse de calcul en piqué) ou MD , puisque les limites structurales de facteur de charge sont calculées à VD . La démonstration est d’ailleurs faite lors de la certification.
A titre d’ordre de grandeur, la marge de vitesse entre VMO et VD est de 50 kt. Elle est réduite à 35 kt avec une protection grande vitesse active comme sur les Airbus. En ce qui concerne le Mach, les valeurs sur un A380 ou un A350 sont : MMO 0,89 et MD, 0,96.
Ainsi, une soudaine augmentation de vitesse ou de Mach due à une forte rafale et conduisant à franchir les limites rouges ne doit pas inquiéter le pilote car il reste en sécurité bien au delà de VMO/MMO.

Alarmes

Alors que les alarmes à incidence élevée doivent, par sécurité, survenir bien avant le décrochage, les alarmes survitesse peuvent survenir légèrement au delà de VMO/MMO puisqu’il n’y a pas de danger immédiat. Les valeurs limites fixées par le règlement sont VMO + 6 kt et MMO + 0,01 .

Traînée

Au delà du Mach de croisière, la traînée augmente assez rapidement, plus ou moins selon le type d’avion. Mais le plus souvent, surtout près du plafond, la poussée des réacteurs est insuffisante pour atteindre MD en palier.

Mach de croisière

Le Mach de croisière résulte d’une optimisation complexe de la voilure. Il ne s’agit pas nécessairement de voler dans les conditions où la traînée, et donc la consommation sont minimales. Le Mach choisi est un tout petit peu plus élevé car d’autres paramètres que la consommation sont pris en compte, comme par exemple le temps de vol. Sa diminution pour un trajet donné réduit certains coûts, maintenance et personnel par exemple. Il y a également un effet concurrence. Aller un peu plus vite qu’une autre compagnie sur un long trajet est un avantage.
Le Mach de croisière prend également en compte le vent. Si le vent arrière est plus important qu’habituellement, on peut réduire légèrement la vitesse et donc la consommation. Et c’est bien entendu le contraire dans un jet, avec un fort vent de face.

Altitude de croisière

La portance dépend de la pression atmosphérique, donc de l’altitude, et du Mach. Si l’altitude est trop élevée, cette portance peut être insuffisante pour compenser le poids. Il y a ainsi une altitude maximale pour stabiliser l’avion en croisière. C’est le plafond de sustentation.
La poussée diminue avec l’altitude. Si elle est trop faible, on ne peut pas atteindre ce plafond de sustentation. L’avion sera limité en altitude, quel que soit son Mach, par la poussée. C’est le plafond de propulsion.
Mais il n’est pas possible de voler en croisière au plafond de propulsion car la moindre perturbation atmosphérique déstabiliserait l’avion et l’empêcherait de maintenir son altitude. Les constructeurs définissent pour leur avion un plafond opérationnel, fonction de la masse, qui assure une marge suffisante pour faire face à ces perturbations. Il peut s’agir de l’altitude à laquelle il est possible de faire un virage à 1,3 g, ou d’avoir un taux de montée minimal.
Lorsqu’on vole près du plafond, l’incidence peut être relativement élevée, ce qui augmente la traînée. On ne se trouve donc pas toujours dans des conditions optimales au point de vue consommation. L’altitude optimale donnée par les constructeurs, fonction de la masse, est habituellement légèrement inférieure à ce plafond opérationnel.

Courbes de buffet onset

La réglementation impose aux constructeurs de publier les courbes de buffet onset. Mais près de MMO, c’est-à-dire bien au-dessus du Mach de croisière, ces valeurs n’ont aucun intérêt opérationnel. Par conséquent, aucune mesure en vol n’est faite. Les valeurs publiées sont obtenues par calcul ou extrapolation de mesures en soufflerie, en ajoutant une solide marge. La vérité est que sur pratiquement tous les avions modernes (à coup sûr sur tous les Airbus), le buffet onset n’est pas rencontré avant MMO. Il n’est donc pas possible de tirer des conclusions fiables sur le buffeting à partir des courbes publiées par les constructeurs.

Vitesses et Mach limites

1 - Vne, Vno avion en configuration lisse
Vne : vitesse à ne jamais dépasser
Vno : vitesse maximale structurale en croisière.
Ces deux vitesses ne sont pas utilisées pour les avions de catégorie commuter ou transport.
Voir Domaine de vol
2 - Vmo, Mmo avion en configuration lisse
Vmo : vitesse maximale limite en utilisation (maximum operating limit speed)
Mmo : mach maximal limite en opération
Vmo et Mmo ne doivent jamais être dépassés, sauf pour vol d'essai et entrainement sur autorisation.
Lorsque Zp (altitude pression) augmente VV augmente, Vmo est constant et le Mach augmente. Quand la valeur de Mmo est atteinte, la montée se poursuit à Mmo


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